Микробиом человека и окружающей среды¶

Микробиом — это совокупность всех микроорганизмов (бактерий, архей, грибов, простейших, а также вирусов и бактериофагов), обитающих в определённой среде — в организме человека, животного, растения, в почве, воде или ином субстрате, — вместе с их генетическим материалом и продуктами жизнедеятельности. Термин образован от слов «микро-» и «биом» (биологическое сообщество) и обозначает не отдельные виды микробов, а целостную экосистему, рассматриваемую как единое целое. Наука, изучающая состав, структуру и функции таких сообществ, называется метагеномикой и микробиомным анализом.

¶Различие понятий «микробиота» и «микробиом»

В литературе часто смешивают два близких термина:

• Микробиота — собственно перечень и соотношение живых микроорганизмов, населяющих данную среду.
• Микробиом — более широкое понятие: совокупность микробиоты, её генов (микробиомный геном) и метаболитов.

Иными словами, микробиота отвечает на вопрос «кто там живёт», а микробиом — «что эти организмы делают и какие гены при этом задействованы».

¶История изучения

Первые представления о микроорганизмах связаны с работами Антони ван Левенгука в XVII веке, который с помощью самодельных микроскопов описал бактерии из зубного налёта. Однако систематическое изучение сообществ микробов стало возможным лишь в конце XX века, когда появились методы секвенирования ДНК без культивирования отдельных штаммов.

Ключевым событием стал проект «Микробиом человека» (Human Microbiome Project), запущенный Национальными институтами здоровья США в 2008 году. В ходе работы были описаны сотни видов бактерий, населяющих тело человека, и показана их связь с обменом веществ и иммунитетом. Значительный вклад внесли также исследования почвенных и океанических микробиомов.

¶Состав и локализация в организме человека

Число микробных клеток в теле человека сопоставимо с числом собственных клеток — по современным оценкам, порядка 3,8×10¹³. Основные «резервуары» микробиоты:

В кишечнике преобладают представители типов Bacteroidetes, Firmicutes, Actinobacteria и Proteobacteria. Состав сильно варьирует между людьми и зависит от питания, возраста, географии, приёма антибиотиков и генетики хозяина.

¶Функции

Микробиом выполняет ряд жизненно важных функций:

• Метаболическая — расщепление неперевариваемых пищевых волокон, синтез витаминов (K, группы B), короткоцепочечных жирных кислот.
• Защитная — конкуренция с патогенами за ресурсы и места прикрепления, продукция антимикробных веществ.
• Иммунная — «обучение» иммунной системы, формирование толерантности к безвредным антигенам.
• Структурная — участие в развитии кишечного эпителия и сосудов.

¶Связь с заболеваниями

Нарушение состава и функций микробиома (дисбактериоз) ассоциировано с широким кругом состояний: воспалительными заболеваниями кишечника, ожирением, сахарным диабетом 2-го типа, аллергиями, аутоиммунными и даже неврологическими расстройствами. Исследуется концепция «оси кишечник — мозг», описывающая двустороннюю связь микробиоты с центральной нервной системой через метаболиты, иммунные сигналы и блуждающий нерв. Причинно-следственные связи во многих случаях пока остаются предметом дискуссий.

¶Методы исследования

• Секвенирование гена 16S рРНК — определение таксономического состава бактерий.
• Метагеномика — полное секвенирование всей ДНК сообщества.
• Метатранскриптомика и метаболомика — изучение активности генов и продуктов обмена.
• Культивирование — классический, но охватывающий лишь часть видов метод.

¶Практическое значение

На основе знаний о микробиоме развиваются направления:

• Пробиотики и пребиотики — препараты и продукты, влияющие на состав микробиоты.
• Фекальная трансплантация — пересадка микробиоты для лечения инфекции Clostridioides difficile.
• Персонализированная медицина — подбор терапии с учётом индивидуального микробиома.
• Сельское хозяйство — оптимизация микробиома почвы и кишечника животных для повышения продуктивности.

¶Микробиом окружающей среды

Помимо организма человека, понятие применяют к экосистемам: почвенный микробиом обеспечивает круговорот азота и углерода, океанический — участвует в глобальных биогеохимических циклах и производстве кислорода за счёт фотосинтезирующих цианобактерий. Изучение этих сообществ важно для экологии, климатологии и биотехнологии.